8.1.2. Сетевые адаптеры

Рано или поздно, но каждый пользователь компьютера сталкивается с необходимостью подключить его к сети. Это может быть объединение нескольких домашних компьютеров или подключение компьютера к сети дома или офиса.

Основным компонентом, отличающим обычный компьютер от сетевого, является сетевая карт или карта сетевого адаптера или сетевой адаптер.

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надёжного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации.

В первых локальных сетях сетевой адаптер с сегментом коаксиального кабеля представлял собой весь спектр коммуникационного оборудования, с помощью которого организовывалось взаимодействие компьютеров.

Сетевой адаптер компьютера- отправителя непосредственно по кабелю взаимодействовал с сетевым адаптером компьютера- получателя.

В большинстве современных стандартов для локальных сетей предполагается, что между сетевыми адаптерами взаимодействующих компьютеров устанавливается специальное коммуникационное устройство (концентратор, мост, коммутатор или маршрутизатор), которое берёт на себя некоторые функции по управлению потоком данных.

Hub (концентратор) – это устройство, которое используется тогда, когда сетевая карта отсылает пакет данных. Hub просто делит и усиливает сигнал так, что его получают все пользователи сети, но принимает только та сетевая карта которой адресован пакет данных.

Очевидно, что при одновременной работе нескольких пользователей скорость сети резко падает. В настоящее время большинство фирм попросту прекратили выпуск концентраторов, и перешли на выпуск более эффективных коммутаторов Switch.

Switch (коммутатор) – это устройство, которое в отличие от Hub, анализирует, откуда и куда отправлен пакет информации и соединяет только эти компьютеры, в то время как остальные каналы остаются свободными. Конечно, лучше использовать Switch, так как он работает гораздо быстрее особенно в сетях с большим количеством пользователей. Внешне Switch практически не отличается от Hub.

Платы сетевого адаптера выступают в качестве физического интерфейса, или соединения, между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты pacширения всех сетевых компьютеров и серверов. Чтобы обеспечить физическое соединение между компьютером и сетью, к соответствующему разъёму, или порту, платы (после её установки) подключается сетевой кабель.

Назначение платы сетевого адаптера:

- подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

- передача данных другому компьютеру;

- управление потоком данных между компьютером и кабельной системой.

Плата сетевого адаптера, кроме того, принимает данные из кабеля и переводит их в форму, понятную центральному процессору компьютера. Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в ПЗУ.

Подготовка данных

Перед тем как послать данные в сеть, плата сетевого адаптера должна перевести их из формы, понятной компьютеру, в форму, в которой они могут передаваться по сетевому кабелю. Внутри компьютера данные передаются по типам. Как правило, это несколько проводников, расположенных близко друг к другу. Так как линий несколько, то и биты данных могут передаваться по ним группами, а не последовательно.

Шины, которые использовались в первых персональных компьютерах IBM, были известны как 8-разрядные шины, они могли передавать группы по 8 битов данных. IBM PC/AT" имеет 16-разрядную шину, это означает, что она способна передавать сразу 16 битов. Многие современные компьютеры оснащены 32-разрядной или 64-разрядной шинами.

Часто говорят, что данные по шине компьютера передаются параллельно (parallel), так как 32 бита движутся параллельно друг другу. Представьте, что 32-разрядная шина - это 32-полосная автострада, по которой рядом (параллельно) движутся 32 машин, каждая из которых перевозит один бит.

Помимо преобразования данных, плата сетевого адаптера должна указать свое местонахождение, или адрес, чтобы её могли отличить от остальных плат.

Сетевые адреса (network address) определены комитетом IEEE. Этот комитет закрепляет за каждым производителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов. Производители «зашивают» эти адреса в микросхемы. Благодаря этому каждая плата и, следовательно, каждый компьютер имеют уникальный адрес в сети.

При приёме данных от компьютера и подготовке их к передаче по сетевому ка6елю плата сетевого адаптера участвует также в других операциях:

1. Компьютер и плата сетевого адаптера должны быть связаны друг с другом, чтобы осуществлять передачу данных (от компьютера к плате). Если плата может использовать прямой доступ к памяти, компьютер выделяет ей некоторую область своей памяти.

2. Плата сетевого адаптера запрашивает у компьютера данные.

3. Шина компьютера передает данные из его памяти плате сетевого адаптера.

Часто данные поступают быстрее, чем их способна передать плата сетевого адаптера, поэтому они помещаются в буфер.

Передача и управление данными

Перед тем как послать данные по сети, плата сетевого адаптера проводит электронный диалог с принимающей платой, во время которого они «обговаривают»:

- максимальный размер блока передаваемых данных;

- объём данных, передаваемых без подтверждения о получении;

- интервалы между передачами блоков данных;

- интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

- объём данных, который может принять каждая плата, не переполняясь;

- скорость передачи данных.

Если новой (более сложной и быстрой) плате необходимо взаимодействовать со старой (медленной) платой, они должны найти общую для обеих скорость передачи. Схемы некоторых современных плат сетевого адаптера позволяют им приспособиться к медленной скорости старых плат.

Каждая плата оповещает другую о своих параметрах, принимая «чужие» параметры и подстраиваясь к ним. После того как все детали определены, платы начинают обмен данными.

Параметры платы сетевого адаптера должны быть корректно установлены, чтобы её работа протекала правильно.

Сетевой адаптер обычно выполняет следующие функции:

1. Оформление передаваемой информации в виде кадра определённого формата. Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и контрольная сумма кадра, по которой сетевой адаптер станции назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации.

2. Получение доступа к среде передачи данных. В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа или метод с передачей маркера доступа по кольцу).

В последних стандартах и технологиях локальных сетей наметился переход от использования разделяемой среды передачи данных к использованию индивидуальных каналов связей компьютера с коммуникационными устройствами сети, как это всегда делалось в телефонных сетях, где телефонный аппарат связан с коммутатором АТС индивидуальной линией связи.

Технологиями, использующими индивидуальные линии связи, являются 100VG-AnyLAN, ATM и коммутирующие модификации традиционных технологий - switching Ethernet, switching Token Ring и switching FDDI. При использовании индивидуальных линий связи в функции сетевого адаптера часто входит установление соединения с коммутатором сети.

3. Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов при передаче данных и декодирование при их приеме. Кодирование должно обеспечить передачу исходной информацию по линиям связи с определённой полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную информацию.

Так как в локальных сетях используются широкополосные кабели, то сетевые адаптеры не используют модуляцию сигнала, необходимую для передачи дискретной информации по узкополосным линиям связи (например, телефонным каналам тональной частоты), а передают данные с помощью импульсных сигналов. Представление же двоичных 1 и 0 может быть различным.

4. Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно. Эта операция связана с тем, что для упрощения проблемы синхронизации сигналов и удешевления линий связи в вычислительных сетях информация передается в последовательной форме, бит за битом, а не побайтно, как внутри компьютера.

5. Синхронизация битов, байтов и кадров. Для устойчивого приёма передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приёмника и передатчика информации. Сетевой адаптер использует для решения этой задачи специальные методы кодирования, не использующие дополнительной шины с тактовыми синхросигналами.

Эти методы обеспечивают периодическое изменение состояния передаваемого сигнала, которое используется тактовым генератором приемника для подстройки синхронизма. Кроме синхронизации на уровне битов, сетевой адаптер решает задачу синхронизации и на уровне байтов, и на уровне кадров.

Сетевые адаптеры различаются по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней шины данных - PCI, PCI - Е, PCCard/PCMCIA, USB.

Сетевые адаптеры различаются также по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определённой сетевой технологии (например, Ethernet).

В связи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи данных (тот же Ethernet поддерживает коаксиальный кабель, неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель), сетевой адаптер может поддерживать как одну, так и одновременно несколько сред. В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы.

Трансивер (приёмопередатчик, transmitter+receiver) - это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель.

В первом стандарте Ethernet, работающем на толстом коаксиальном кабеле, трансивер располагался непосредственно на кабеле и связывался с остальной частью адаптера, располагавшейся внутри компьютера, с помощью интерфейса AUI (attachment unit interface).

В других вариантах Ethernet оказалось удобным выпускать сетевые адаптеры (да и другие коммуникационные устройства) с портом AUI, к которому можно присоединить трансивер для требуемой среды.

Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор, который может согласовать выход приёмопередатчика, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных (например, выход на витую пару преобразуется в выход на коаксиальный кабель).

Интерфейс сетевых карт

Как и большинство плат расширения, сетевые карты выпускаются во многих вариантах - для шин PCI, PCCard/PCMCIA и даже USB. Сегодня для настольного ПК наиболее выгодно использовать карты на шину PCI или PCI - Е, поскольку только они могут обеспечить необходимую скорость и являются самыми распространёнными в настоящий момент.

Для старых ПК можно использовать карты на шину ISA, но в этом случае не будет высоких скоростей передачи. Мобильные ПК обычно используют сетевые контроллеры на шинах PCMCIA и USB.

Используемый интерфейс также приводит к некоторым отличиям в конфигурировании карт. Если для PCI или PCI - Е вариантов всё легко проходит по технологии Plug&Play, то для ISA карт есть несколько вариантов конфигурирования: перемычками (jumper), программой конфигурирования (jumperless) и конечно по технологии Plug&Play.

Plug and Play - это одновременно и философия построения персонального компьютера, и набор спецификаций его архитектуры. Цель технологии Plug and Play – это возможность изменить конфигурацию персонального компьютера без вмешательства пользователя, т.е. максимально упростить подключение любого устройства. Сетевые кабели и соединители

Устройства USB работают исключительно со своими драйверами. Для PCMCIA карт есть два варианта работы - для старых ноутбуков обычно карта устанавливается как NE2000 совместимая, при этом требуется только запустить её конфигуратор в файле autoexec.bat, или для современных PnP систем, она работает как полноценное PCMCIA устройство с возможностью горячей замены.

Сетевые карты выпускаются многими производителями - это фирмы 3Com, IP Metrics, Adaptec, Intel, компания Cisco Systems.

Основные параметры сетевой платы:

- прерывание;

- базовый адрес порта ввода/вывода;

- базовый адрес памяти;

- используемый трансивер.

Базовый порт ввода/вывода (base i/o port) определяет канал, по которому курсируют данные между устройством компьютера (например, платой сетевого адаптера) и его центральным процессором. Для центрального процессора порт выглядит как адрес. Каждое устройство системы должно иметь уникальный адрес базового порта ввода/вывода. Адреса портов указываются в шестнадцатеричном формате.

Базовый адрес памяти (base address) указывает на ту область памяти компьютера (RAM), которая используется платой сетевого адаптера в качестве буфера для входящих и исходящих кадров данных. Этот адрес иногда называют начальным адресом RAM.

Чтобы обеспечить совместимость компьютера и сети, плата сетевого адаптера должна отвечать следующим требованиям:

- соответствовать внутренней структуре компьютера (архитектуре шины данных);

- иметь соединитель (он должен подходить к типу кабельной системы) для подключения сетевого кабеля.

Для различных типов сетевых карт существуют различные технологии:

1. PCI BUS-Mastering. Это функция позволяет меньше нагружать процессор, так как большая часть функций выполняется аппаратно самой картой.

2. BootRom. Это специальная микросхема, которая позволяет осуществлять загрузку компьютера по сети, т.е. при соответствующей настройке, ПК может работать вообще без жёсткого диска. Загрузка через сеть настраивается в Bios материнских плат, которые поддерживают возможность удалённой загрузки. У дешёвых сетевых карт BootRom либо отсутствует вообще, либо под него есть разъем, но нет самой микросхемы.

3. Wake-on-Lan. Это возможность включения удалённого компьютера через сеть. При этом требуется, что бы компьютер был с ATX блоком питания, в настройках Bios была разрешена активация компьютера по запросу с порта, на который установлена карта (как правило, это PCI), и сетевая карта должна быть соединена соответствующим 3 жильным шнуром с Wol- разъёмом на материнской плате. Если сетевая карта встроена в материнскую плату, последнее, как правило, не требуется. Местоположение разъёма Wol различно на разных материнских платах.

Сетевые карты USB представляют собой своеобразный переходник USBLAN, они имеют схожие функции со своими PCI аналогами. Их главным достоинством является универсальность, их можно подключить к любой системе, где есть USB порт.

Сетевые карты USB, как правило, не имеют функцию BootRom. А Wol можно настроить, если материнская плата поддерживает включение при сигнале с USB - устройства. Разумеется, никакие Wol - провода при этом подключать не надо.

Сетевые карты PCMCIA актуальны для ноутбуков или других устройств, в которых нет сетевой карты, но есть разъём PCMCIA. Например, некоторые наладонники и особо продвинутые сотовые, у PCMCIA сетевых карт обычно нет функций Wake-on-Lan или BootRom.

Встроенные сетевые карты. Во многие современные материнские платы сетевые карты уже встроены. Многие фирмы встраивают в свои материнские платы качественные чипы сетевых карт. Иногда в материнские платы встроены сразу 2 сетевые карты. Это очень удобно, особенно если у вас в доме 2 компьютера, или вы использует персональный компьютер и ноутбук, так как вам не придётся постоянно отключать и подключать сетевой кабель.

Координируя взаимодействие сетевого кабеля и компьютера, плата сетевого адаптера выполняет три важные функции:

- организует физическое соединение с кабелем;

- генерирует электрические сигналы, передаваемые по кабелю;

- следует определенным правилам, регламентирующим доступ к сетевому кабелю.

Прежде чем выбрать плату сетевого адаптера, соответствующую вашей сети, вы должны определить тип кабеля и соединителей, которые будете использовать.

Каждый тип кабеля имеет различные физические характеристики, которым должна соответствовать плата. Поэтому плата сетевого адаптера рассчитана для работы с определенным типом кабеля (коаксиальным, витой парой или оптоволокном). Некоторые платы сетевого адаптера имеют несколько типов соединителей. Например, есть платы, разъёмы которых подходят для тонкого и толстого коаксиальных кабелей или для витой пары и толстого коаксиального кабеля.

Если у платы сетевого адаптера более одного интерфейсного разъёма, выбор каждого из них производится с помощью перемычек или DIP-переключателей, расположенных на самой плате, либо программно. Чтобы правильно сконфигурировать сетевую плату, необходимо обратиться к её документации. Параметры платы сетевого адаптера иногда устанавливаются в программном обеспечении, но они должны совпадать с установками, заданными на плате перемычками или DIP-переключателями.

Производительность серверов быстро возрастает, и предприятиям не удаётся достаточно оперативно модернизировать свои сетевые инфраструктуры. В наши дни даже серверы начального уровня способны передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с и более, а уж высокопроизводительный сервер может насытить трафиком и гигабитовый канал.

Однако технология Gigabit Ethernet используется главным образом в магистральных сетях, и прокладка даже одного гигабитового канала до сервера может оказаться слишком дорогим удовольствием. К тому же при использовании единственного канала не обеспечивается отказоустойчивая связь сервера с сетью.

Большинство современных файловых серверов и серверов приложений уровня подразделения предприятия подключены к сетям по 100-Мбит/с каналам. Это значит, что при работе сервера с десятью пользователями одновременно каждый из них может принимать (или передавать) данные со скоростью до 10 Мбит/с.

При этом ресурсы сервера используются крайне не эффективно. Если же оборудовать сервер четырьмя 100-Мбит/с сетевыми портами, то каждый пользователь (при достаточно высокой пропускной способности сети) сможет загружать данные в четыре раза быстрее.

Лучше использовать специальные решения по объединению установленных на сервере сетевых адаптеров в группу, в пределах которой осуществляется выравнивание нагрузки между ними, сам же сервер при этом будет функционировать с единственным IP-адресом. Данную операцию называют иногда транкингом портов.

Рекомендуемые модели сетевых адаптеров

Сетевая карта ACorp Ethernet Card UTP 10/100MBps PCI

Сетевая карта CNet Ehternet Card PCI 10/100MBps PRO200WL

Это простые сетевые PCI адаптеры. Они быстро и устойчиво работают на длинах до 100 метров. К минусам можно отнести высокую загрузку процессора при копировании файлов по сети.

Сетевая карта Compex RE100TX UTP 10/100MBps PCI

Хорошее промежуточное решение, высокую производительностью и минимальной нагрузкой на процессор. Правда, BootRom у них нет, но есть под него отсек. Функцию Wol поддерживает.

Сетевая карта INTEL 10/100MBps PCI

Сетевая карта 3COM 905С EtherLink XL PCI 10/100 Base-TX

Карты от 3Com и Intel имеют встроенные алгоритмы коррекции ошибок и более мощный и стабильный сигнал в линии, поэтому имеет смысл использовать их при подсоединении отрезков сети, длина которых, превышает стандарты. Так же они поддерживают BootRom и PCI BUS-Mastering, что немаловажно на слабых машинах.